徐永+林魁

【摘要】設施農業(yè)是一個集智能化、自動化等多學科領域的環(huán)境可控農業(yè)，其中人工光能耗占了相當大的比重，減少能耗是實現設施農業(yè)節(jié)能的重要研究課題。本文以設施農業(yè)中LED的應用為主要研究對象，分別從設施農業(yè)光環(huán)境調控的必要性、LED光環(huán)境調控技術在設施農業(yè)中的應用及其復雜性、LED在設施農業(yè)應用的展望等方面進行闡述，為進一步的研究提供理論依據。

前言

以設施蔬菜為主體的中國設施農業(yè)在扭轉蔬菜長期供應不足，實現自給自足，并成為世界蔬菜出口大國中發(fā)揮了關鍵作用[1]。設施農業(yè)是一種現代化的可控農業(yè)，又稱環(huán)境調控農業(yè)，是高投入、高產出、高能耗的行業(yè)，可以減輕或防止露地生產條件下災害性氣候和不利環(huán)境條件對農業(yè)生產的危害[2]。設施內的環(huán)境調控技術呈自動化、智能化、管理現代化等特點，是現代農業(yè)的主要生產形式之一[3]。

光是影響植物生長發(fā)育和功能性化學物質積累的最重要環(huán)境因素之一，光不僅能夠作為一種能量源參與植物的光合作用過程，也能作為一種信號源調節(jié)植物自身的生長、分化和代謝[4]。當農業(yè)生產從天然不可控的自然環(huán)境移到人工可控的室內設施環(huán)境后，可控因素大大增加，從而延伸了對傳統(tǒng)設施農業(yè)中光環(huán)境維度的一般定義，即由原來所認識的3個維度（光強、光質、光周期），擴展到光的7個維度特性[5]（光強、光質、光照模式、均勻性、方向性、偏振性和相干性）。這些維度特性不僅豐富了人工控制植物生長發(fā)育的途徑，而且對于深入探究不同維度或多種途徑的綜合效益具有重要的指導意義。

設施農業(yè)光調控的必要性

從世界范圍來看，早在20世紀20年代，發(fā)達國家就開始發(fā)展綠色農產品。在隨后近100年的時間里，現代農業(yè)獲得了突破性的進展。在石油農業(yè)時代，化肥、農藥的大量施用，導致農產品過剩，也帶來了農業(yè)生態(tài)環(huán)境的破壞和農產品的污染問題。以生菜為例，在長期的消費過程中，人們對生菜品質和口味等要求逐漸提高，但傳統(tǒng)栽培與生產方式很難滿足廣大消費者的需求，生產商轉而使用如植物生長調節(jié)劑和微量元素等化學方式，以求能夠在短期內促進生菜的生長發(fā)育及功能性化學物質的快速積累。然而大量施用化肥和農藥，使土壤中原本的營養(yǎng)素濃度及營養(yǎng)元素的比例因化肥的施用和生菜的選擇性

吸收而逐漸偏離正常值，并隨著栽培時間的增加而逐步加劇，導致土壤肥力嚴重下降，生菜栽培效益逐年遞減。更為嚴重的是，在多茬種植后土壤中積累了大量的生菜根系分泌物，這些分泌物經過一系列化學反應轉化成對土壤和生菜有害的自毒物質，從而造成了生菜的連作障礙[1]。

用光照的方式促進植物生長和有效物質積累與傳統(tǒng)的轉基因、雜交和施用化肥等方法有著本質的區(qū)別[5]。它通過對外部條件的控制，利用各種不同光譜成分的組合和光強調控技術來促進植物的生長，從而達到增產增收、增質增效的作用。同時，在不同的生長階段使用不同光波譜段的組合，還可以對植物的生長和功能性化學物質的積累進行對癥配光，并將這些配光方案組合起來對植物進行照射，從而生產出產量佳、口味好、營養(yǎng)高的作物。因此，光調控技術對于減少化肥、農藥和生長調節(jié)劑等的使用，生產出品質好、產量高的作物具有獨特的效果。

此外，受氣候變化影響，嚴重的干旱、洪澇等自然災害頻繁發(fā)生，近幾年由于大規(guī)模引入化工及其他重污染型企業(yè)使高緯度以及其他許多地區(qū)（如中國北方地區(qū)）的空氣污染指數持續(xù)攀升，使得自然光照條件（光照強度、光質、光照時間）欠缺現象嚴重，制約作物的生長發(fā)育及其品質的提高和優(yōu)質高效的生產。因此，研發(fā)安全環(huán)保、經濟有效的補光技術是當今設施農業(yè)生產的重要課題。植物的光環(huán)境調控是對植物的生長和發(fā)育過程進行光環(huán)境調控的一種物理手段，生態(tài)安全，環(huán)境負效應少[6]。設施農業(yè)作為一種環(huán)境可控的農業(yè)生產方式，為克服上述設施農業(yè)生產中的弱光寡照等光環(huán)境問題，發(fā)展光環(huán)境調控及LED照明技術是其內在要求，更是客觀需求。

LED及其相關應用

光源是發(fā)展設施農業(yè)光調控技術不可或缺的主要部分。長期以來，在農業(yè)照明領域內常用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵化物光源等，這些光源均存在光效低、能耗高、壽命短等弊端[7]。發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）是一種能夠直接將電能轉化為光能的固態(tài)（Solid-state）半導體發(fā)光器件。由于兼具光、電、熱等多種優(yōu)良特性（高光效、低功耗、低發(fā)熱等）及結構方面的優(yōu)勢（如體積小、重量輕、安全性高等），使之在各種應用中逐步取代傳統(tǒng)光源的地位，具有廣泛的應用前景[7-9]。近年來，隨著LED技術的不斷成熟及制造成本的日益降低，LED逐漸被廣泛應用于各領域，如背光、通信、裝飾、城市夜景布控等。更為重要的是，在非視覺照明的領域（如醫(yī)療、植物照明等）LED的運用范圍也不斷擴大，其優(yōu)越性得到更為充分的體現[1]。

目前，LED在設施農業(yè)領域的應用研究已經引起全世界的廣泛關注，具有廣闊的應用前景。除了將LED運用于溫室補光，在種苗繁育與苗菜栽培等方面，LED也發(fā)揮著重要的作用。同時在植物組織培養(yǎng)領域，采用LED作為供給光源，調控組培植物生長的光環(huán)境，不僅有利于植物生長發(fā)育和形態(tài)建成，同時能夠大大降低耗損，節(jié)約成本，并加快培育過程[10]。總之，LED光源被認為是現代農業(yè)照明的理想光源，半導體照明必將逐步替代傳統(tǒng)光源而被廣泛運用到設施農業(yè)生產的各個領域。

LED照明在設施農業(yè)中的

應用現狀及其復雜性

LED的出現在很大程度上彌補了傳統(tǒng)光源在設施農業(yè)生產中的不足，比如無法實時調控其光強和光質成分等。LED在設施農業(yè)中的應用領域多樣，各領域生物形態(tài)多樣，光環(huán)境需求差別迥異。總結起來，LED在設施農業(yè)光環(huán)境調控中的應用領域主要有以下幾個方面。

LED在溫室補光中的研究

自然界中，太陽的光照度隨地理位置、海拔高度、四季變化和時間的不同而變化。溫室內的光照度除與上述因素有關外，還與溫室結構、管理措施及材料的透光性能等密切相關[11]。由于受溫室方位、覆蓋材料的特性及其潔凈程度等多種因素的影響，溫室內的光環(huán)境較露地有很大差異，尤其在寒冷的冬季、早春季節(jié)或陰雪天，太陽高度角低，日照時間短，溫室內光照度往往不能滿足作物生長的光需求。人工補光成為眾多可控環(huán)境溫室管理的必然選擇。

溫室內光環(huán)境調節(jié)主要包括光輻射量、光照時長和光質的調節(jié)[12]。近年來，隨著技術的不斷進步和工藝水平的不斷提高，新型節(jié)能LED光源也引起了廣泛關注。常用的LED溫室補光光源主要有2種形式，一種是垂直照射的點式光源，另一種是穿插于植株之間進行側面照射的帶式光源[11]。將LED作為溫室補光光源，不僅可以根據氣候條件、作物類型以及作物生長不同階段，調整LED補光的光強、光質和光照時間。同時因其結構簡單、便于安裝、高度可調等優(yōu)點使其在溫室補光中的優(yōu)勢日益凸顯，且逐步發(fā)展成為溫室植物補光照明的主流技術。

目前，已有的研究結果大多顯示，對溫室內的作物進行LED補光處理能夠在不同程度上影響植物的生長發(fā)育過程。比如Jamal和Shandiz[13]對溫室番茄進行LED光照處理后發(fā)現，在LED紅光處理或者LED紅藍混合光處理下的植株莖粗更大。而在單一藍光照射下，植株高度會降低，且脯氨酸含最高。同時，不同LED光質對番茄生長的影響具有品種特異性，對不同品種其作用程度也不同?？偠灾?，LED照明技術的不斷進步正引領溫室補光照明進入一個更節(jié)能、更可控的時代，也勢必會在未來設施農業(yè)生產中扮演一個不可或缺的角色。

LED在種苗繁育中的研究

LED在種苗繁育領域的應用研究主要包括植物組織培養(yǎng)、扦插和嫁接苗的光照、種苗的生長發(fā)育研究等。利用LED光源對種苗繁育進行研究，對于保護和利用種質資源、培育種苗、提高種苗品質和產量具有重要意義。

在植物組織培養(yǎng)中，光環(huán)境的調控策略對植物的光合作用及其形態(tài)建成具有重要作用。因此在組培苗培養(yǎng)過程采用LED作為供給光源，并對其光照強度和光質配比進行調控，不僅能夠促進組培植株的生長發(fā)育和形態(tài)建成，還能縮短培養(yǎng)周期、提高組培苗質量。多年來，國內外學者圍繞LED光源在植物組培苗的生長發(fā)育、形態(tài)和器官分化等應用領域進行了不懈的探索，取得了重要的進展?？偨Y起來，主要包括以下3個方面：①不同LED單色光對組培苗的影響及作用機理；②LED紅藍混合光對組培植株生長發(fā)育的影響；③不同LED光質組合優(yōu)化參數對組培苗的生物效應。具體而言，Duong等[14]在單質紅光LED的研究中發(fā)現，草莓組培苗莖明顯伸長，但葉綠素含量卻有所降低。而在LED光質對馬蹄蓮組培苗兼養(yǎng)條件下生長效果的影響研究中發(fā)現，未經LED照射處理的干質量和生長速率差異不顯著，但添加藍光LED后對組培苗的株高和葉綠素含量有顯著的正效應[15]。不同植物對光質配比的敏感性不同，表現出不同的適應性。聞永慧等[16]研究了LED不同光質對白芨生長及其可溶性糖含量的影響，發(fā)現紅藍光比例調整為1：1有利于白芨組培苗可溶性糖的積累；而經移栽后的白掌組培苗在80%紅光LED+20%藍光LED處理下生長狀況最好[17]。Jao和Fang[18]同樣指出，45%紅光LED+55%藍光LED的處理對于馬鈴薯組培苗的生長效應是最適宜的。

隨著社會的發(fā)展，LED的光譜可調控性、技術的不斷創(chuàng)新和成熟以及使用量的日益增加（因而價格的日益降低），使它成為植物組織培養(yǎng)中的優(yōu)選光源。如何將LED更好地運用于植物組織培養(yǎng)中，需要投入更多的關注和研究。比如，在選擇適合植物生長的LED光源時，需要綜合考慮研究對象的特殊性和LED的特性，充分考慮不同植物對不同LED光質的需求，合理地選用LED光源。同時，應結合環(huán)境調控等多個因素的耦合效應，如不同溫度梯度、CO2濃度等，使LED光源在植物組織培養(yǎng)中的應用研究得以更加深入和系統(tǒng)，為LED光源在植物組培工廠化生產領域提供有參考價值的依據和可行性參數。

LED在苗菜栽培中的研究

LED光源的研發(fā)為人工光型植物工廠的發(fā)展提供了契機。國內外有關單一或組合的LED光質對不同蔬菜品種進行調控的主要作物包括生菜、芽苗菜和甜菜等，并取得了喜人成就。研究表明，光質能夠影響生菜的生長及其體內功能性化學物質的積累。如Johkan等[19]利用藍光、紅光、紅藍光混合等不同光質的LED燈及熒光燈來照射紅葉生菜植株。經不同光質與光強的配比處理17天后發(fā)現，熒光燈培養(yǎng)下的生菜體內的多酚含量和總抗氧化能力顯著低于在藍色LED光照處理下的植株。該試驗表明在藍光下培育幼苗對于促進種植后的生菜植株多酚含量的積累是有幫助的。Goto[20]研究了紅葉生菜在相同光合有效量子輻射下，通過使用紅光LED和藍光LED來研究二者對紅葉生菜花青素積累的作用，試驗結果表明，花青素的濃度隨著藍光比重的增加而增加，說明藍光照射能夠有效促進紅葉生菜功能性化學物質的合成。黃枝等[21]就不同LED復合光質對瓠瓜幼苗生長及生理生化指標的影響做了深入研究，他們用4個不同LED復合光質（7R0G3B，6R2G2B，3R0G7B，2R2G6B）與對照白光對瓠瓜幼苗進行照射處理。結果表明，可以采用紅綠藍比例為6：2：2的LED復合光作為瓠瓜生長的最適光源。

LED在應用于設施農業(yè)蔬菜栽培的光電子農業(yè)調控中具有無可比擬的優(yōu)越性，被認為是在蔬菜設施栽培中有廣闊應用前途的人工光源。中國學者率先開展了LED光源在芽苗菜生產中應用的研究，取得了針對不同種類芽苗菜的光環(huán)境參數，LED光源在該領域的推廣奠定了基礎。今后，深入探究不同光環(huán)境因子的協同作用、光環(huán)境參數的優(yōu)化、植物光形態(tài)建成的機理，以及光環(huán)境與其他環(huán)境因素對植物生長發(fā)育的交互影響等問題，不僅是光生物學理論研究的熱點，還能為設施農業(yè)蔬菜生產的光環(huán)境調控技術的發(fā)展提供科學依據。

LED在食用菌生產中的研究

食用菌口感鮮美，營養(yǎng)豐富，深受廣大消費者喜愛。食用菌工廠化生產是指利用工業(yè)技術對設施環(huán)境要素（如光照、溫濕度等）進行自動化控制，并進行高效率的機械化、自動化作業(yè)，實現食用菌的規(guī)?；?、集約化、智能化、標準化、周年化生產[22]。常見的食用菌工廠化生產的品種如金針菇、杏鮑菇、蟹味菇等，均需要一定的光照才能夠正常出菇。

光對食用菌的影響涉及菌絲體和子實體兩個階段，適宜的光照條件才能促進食用菌的優(yōu)質高產，實現工廠化的高效生產。然而，不同品種的食用菌對不同的光譜成分和光強的反應不同，且不同的生長階段對光強和光質的要求也有差異。據報道，LED藍光有利于靈芝、黑木耳菌絲體的生長[23-24]，蟹味菇子實體的生長，并且在LED藍光照射下的產量最高[25]；LED紅光有利于繡球菌和平菇菌絲的生長[26-27]，且為杏鮑菇子實體原基形成和發(fā)育階段的最適光質[28]；黃光對繡球菌原基形成有較強的誘導作用，且出菇同步性好[26]。此外，在有關不同光質LED光源對工廠化金針菇菌株生長的影響研究中發(fā)現，在金針菇催蕾育菇階段，黃光比藍光、白光對菇柄具有更好的促進伸長作用[29]。其他研究同樣表明，不同波段的光譜對食用菌生長的影響不同[30]。有關不同光強對食用菌的影響最早涉及食用菌菌絲生長、出菇、產量等形態(tài)特征及色澤方面的研究。田雪梅等[31]研究了不同光質光量對樟芝菌絲體生長的影響，認為是在菌絲體生長過程給予適當的光照能夠促進其生長。李玉等[30]同樣指出不同食用菌對光照需求差異不同。相關研究表明，強光下（4000 lx）培養(yǎng)的平菇菌絲受到強烈的抑制[32]，而金針菇白色品系在抑制階段的不同時期采用光照對菌蓋的形成效果不同[33]。

迄今，有關食用菌光生物學領域的研究進展緩慢，基本處于停滯狀態(tài)，且鮮有報道[22]。隨著食用菌工廠化栽培的發(fā)展，對智能化的環(huán)境控制要求越來越高，有關LED對食用菌菌絲生長與轉化代謝方面的促進作用仍有待更為深入的研究，以確定最佳光環(huán)境參數，研發(fā)專用的燈具和布控方式等。此外，制定適于食用菌光環(huán)境控制策略、光照模式及相應的光調控實現方法，探索不同光環(huán)境下食用菌工廠化生產的品質和產量綜合效益，特別是藥用食用菌的營養(yǎng)保健價值響應機制仍是當務之急。筆者堅信，LED光源在食用菌光生物學及其產業(yè)發(fā)展中將起到非常重要的作用。

LED光源對設施農業(yè)作物生長

發(fā)育調節(jié)的復雜性

上述簡要介紹了LED在設施農業(yè)光環(huán)境調控中的應用領域。可以看出，LED光調控設施作物生長發(fā)育的作用具有較高的復雜性，且生物種類和生物效應龐雜，需從多個層面、多個尺度進行逐一解析并開展更為詳盡和系統(tǒng)的研究工作[34]。這樣做的原因有3點：①在設施農業(yè)生產的各個領域，不同園藝作物種類及品種、植物生長發(fā)育的不同階段，以及不同組織或器官對LED光源的響應機理、方式和敏感程度各不相同，加之農作物的營養(yǎng)生長和生殖生長階段具有多樣性和復雜性[7]，而且，在人工可控環(huán)境條件下，光環(huán)境的維度不僅包括傳統(tǒng)定義的光強、光質、光周期等維度，還包括光的偏振性、方向性甚至相干性等因素，從而大大增加了設施農業(yè)光環(huán)境調控的復雜性，需要逐一進行系統(tǒng)的研究，揭示其光生物學規(guī)律；②不同光生物學指標對光環(huán)境響應的不一致性或不同步性是設施農業(yè)LED光調控的另一重要特征，且研究方法各異，需要對各個指標逐一進行明確的研究，一種作物的研究成果很難類推到另一種作物上；③LED光源的應用效果并非對所有的形態(tài)和營養(yǎng)指標都同向變化，而是呈現出離散型響應方式，某種對形態(tài)指標有益的光環(huán)境并非對營養(yǎng)指標也有益，某種對某一營養(yǎng)指標有益的光環(huán)境并非同時對另一種營養(yǎng)指標也有益，等等。因此需要區(qū)分正效應和負效應，以提高調控效果[7]。上述3方面的疊加效應顯示了植物光生物學研究的復雜性和長期性。最后，設施系統(tǒng)種類多，光環(huán)境特征及變化規(guī)律迥異，因此需要有針對性進行光環(huán)境的調控[34]。

LED光調控技術在設施農業(yè)中

應用的展望

21世紀被譽為“光的世紀”，植物光合作用是地球上一切生命的基礎。然而，太陽光照的不足將對農作物生產的產量和質量帶來嚴重的負面影響，在這種情況下，人工補光以及在密閉環(huán)境下的人工照明均需要高光效、低能耗的新型光源。LED以其高效節(jié)能的特有優(yōu)勢正吸引著全世界的目光，尤其是在全球能源短缺的背景下，LED的推廣和普及正受到世界各國政府的日益重視[35]。

運用人工光進行栽培的技術實質上是通過類似光催化反應而進行的，是通過對外部條件的控制，同時利用不同光質的組合和光照模式的匹配來促進植物的光合作用、生長發(fā)育和有效物質的合成，最終達到增產增質的目的。設施農業(yè)生產中的LED光調控技術的實質是通過對外部條件的控制，并根據植物生長過程的光需求，提供相應的光譜成分的組合和光強調控并配以合適的光周期，以促進植物的生長和功能性物質的積累，從而達到增產、增收、增質和增效的目的[36]。設施農業(yè)中LED光調控植物生長發(fā)育的方式不僅環(huán)保、副作用小，而且能夠達到優(yōu)質高產的目的。

本文所提到LED的顯著優(yōu)勢，必將會在設施農業(yè)等眾多領域內發(fā)揮積極的作用。近年來隨著科技的不斷發(fā)展和進步，LED的制造和使用成本也將越來越低，其優(yōu)越性也將得到更為充分的體現。因此LED必將在植物組織培養(yǎng)、工廠化育苗、高附加值植物和名貴中藥材等設施園藝植物栽培等領域得到越來越廣泛的應用。在植物組培領域將有可能出現替代傳統(tǒng)熒光燈的LED專用組培燈具，其光強、光質和光照時間均可根據作物的生長需求進行自動調節(jié)，從而大幅度提高組培效率，并降低系統(tǒng)的能耗；在完全控制型植物工廠中也會出現由多種單色LED光（如紅藍光）組合的人工光源，使作物栽培層的間距和空間利用率都得到有效的提高，進而促進植物工廠的普及與應用及成本的降低。在戈壁灘、沙漠、邊遠島嶼、南北極地，以及太空航天器、遠洋航船和其他星球等特定場所，將會出現以LED為人工光源的植物生產系統(tǒng)，以滿足特殊環(huán)境下人們對食物的需求。

目前，以LED為設施作物照明主要供給光源的研究方興未艾，發(fā)展勢頭如火如荼，但基于LED對設施農作物生長發(fā)育調節(jié)的復雜性，探索設施農業(yè)LED對植物生長發(fā)育的影響的光配方及專用燈具的研發(fā)尚有很長的路要走。相信在不久的將來，通過行業(yè)科研人員的不斷努力，LED在設施農業(yè)中的應用將會取得長足的進步，也將極大地推進設施農業(yè)LED光調控技術的深層次普及和發(fā)展以及光植物學科的研究進展和突破。

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